[发明专利]一种三电平双端有源桥直流变换装置和控制方法

摘要

本发明公开了一种三电平双端有源桥直流变换装置和控制方法。本发明的三电平双端有源桥直流变换装置和控制方法可以采用低电压定额开关管实现高压大功率输入、输出，且高频电气隔离的能量双向实时变换场合要求，动态性能好，还有利于降低成本，提高功率密度和可靠性；可以实现整个负载和电压变化范围工况下飞跨电容、串联开关器件和分压电容的均压，保证器件的安全性；实现内外管解耦，更容易实现开关管的零电压开通，大大降低装置的开关损耗，提高效率和电磁兼容性。

主权项

1.一种直流变换装置的控制方法，所述直流变换装置包括：第一分压电容C1、第二分压电容C2、第三分压电容C3和第四分压电容C4、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管Q9、第十开关管Q10、第十一开关管Q11、第十二开关管Q12、第十三开关管Q13、第十四开关管Q14、第十五开关管Q15和第十六开关管Q16、第一箝位二极管Dc1、第二箝位二极管Dc2、第三箝位二极管Dc3、第四箝位二极管Dc4、第五箝位二极管Dc5、第六箝位二极管Dc6、第七箝位二极管Dc7和第八箝位二极管Dc8、第一飞跨电容Css1、第二飞跨电容Css2、第三飞跨电容Css3、第四飞跨电容Css4、传输电感LT、第一隔直电容Cb1、第二隔直电容Cb2和变压器T，直流端U1的正极分别连接至第一分压电容C1的正极、第一开关管Q1的集电极和第五开关管Q5的集电极，第一开关管Q1的发射集分别连接至第二开关管Q2的集电极、第一箝位二极管Dc1的阴极和第一飞跨电容Css1的正极，第五开关管Q5的发射极分别连接至第六开关管Q6的集电极、第三箝位二极管Dc3的阴极和第二飞跨电容Css2的正极，第一分压电容C1的负极分别连接至第二分压电容C2的正极、第一箝位二极管Dc1的阳极、第二箝位二极管Dc2的阴极、第三箝位二极管Dc3的阳极和第四箝位二极管Dc4的阴极，并作为U1端的中点O1，第二开关管Q2的发射极分别连接至第三开关管Q3的集电极和传输电感LT的第一端，传输电感LT的第二端连接至变压器T的原边第一端，第六开关管Q6的发射极分别连接至第七开关管Q7的集电极和第一隔直电容Cb1的第一端，第一隔直电容Cb1的第二端连接至变压器T的原边第二端，第三开关管Q3的发射极分别连接至第四开关管Q4的集电极、第二箝位二极管Dc2的阳极和第一飞跨电容Css1的负极，第七开关管Q7的发射极分别连接至第八开关管Q8的集电极、第四箝位二极管Dc4的阳极和第二飞跨电容Css2的负极，第二分压电容C2的负极分别连接至第四开关管Q4的发射极和第八开关管Q8发射极，并作为直流端U1的负极，变压器T的副边第一端分别连接至第十开关管Q10的发射极和第十一开关管Q11的集电极，变压器T的副边第二端连接至第二隔直电容Cb2的第一端，第二隔直电容Cb2的第二端分别连接至第十四开关管Q14的发射极和第十五开关管Q15的集电极，第十开关管Q10的集电极分别连接至第九开关管Q9的发射极、第五箝位二极管Dc5的阴极和第三飞跨电容Css3的正极，第十四开关管Q14的集电极分别连接至第十三开关管Q13的发射极、第七箝位二极管Dc7的阴极和第四飞跨电容Css4的正极，第九开关管Q9的集电极和第十三开关管Q13的集电极共同连接至第三分压电容C3的正极，并作为直流端U2的正极，第三分压电容C3的负极分别连接至第四分压电容C4的正极、第五箝位二极管Dc5的阳极、第六箝位二极管Dc6的阴极、第七箝位二极管Dc7的阳极和第八箝位二极管Dc8的阴极，并作为直流端U2的中点O2，第十一开关管Q11的发射极分别连接至第十二开关管Q12的集电极、第六箝位二极管Dc6的阳极和第三飞跨电容Css3的负极，第十五开关管Q15的发射极分别连接至第十六开关管Q16的集电极、第八箝位二极管Dc8的阳极和第四飞跨电容Css4的负极，第十二开关管Q12的发射极和第十六开关管Q16的发射极共同连接至第四分压电容C4的负极，并作为U2端的负极，其中第一分压电容C1和第二分压电容C2的容值相等，第三分压电容C3和第四分压电容C4的容值相等，第一飞跨电容Css1和第二飞跨电容Css2的容值相等，第三飞跨电容Css3和第四飞跨电容Css4的容值相等，其特征在于，所述控制方法包括下述步骤：(1)、分别将用于控制第一至第十六开关管的控制信号G1、G2、……、G16输送至三电平双端有源桥直流变换装置中相应开关管Q1、Q2、……、Q16，其中，控制信号G2、G3、G6、G7、G10、G11、G14、G15的导通时间固定为小于1/2开关周期的一预定时间段——固定时间T固，控制信号G1、G4、G5、G8、G9、G12、G13、G16的导通时间固定为小于所述T固的一预定时间段——Ton；(2)、设置所述控制信号G2、G3、G6、G7、G10、G11、G14、G15使得第二开关管Q2和第三开关管Q3互补导通，第六开关管Q6和第七开关管Q7互补导通，第十开关管Q10和第十一开关管Q11互补导通，第十四开关管Q14和第十五开关管Q15互补导通；(3)、设置所述控制信号G1、G2、……、G16使得第一开关管Q1、第二开关管Q2、第七开关管Q7和第八开关管Q8同时导通，第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6同时导通，第九开关管Q9、第十开关管Q10、第十五开关管Q15和第十六开关管Q16同时导通，第十一开关管Q11、第十二开关管Q12、第十三开关管Q13和第十四开关管Q14同时导通；(4)、设置所述控制信号G4与G1的开通时刻相差1/2个开关周期，G5与G8的开通时刻相差1/2个开关周期，G6与G7的开通时刻相差1/2个开关周期，G2与G3的开通时刻相差1/2个开关周期，G9与G12的开通时刻相差1/2个开关周期，G10与G11相差1/2个开关周期，G13与G16相差1/2个开关周期，G14与G15相差1/2个开关周期；(5)、根据能量传输指令设置U1端驱动控制信号和U2端驱动控制信号的相位，并通过调节相位差或者移相角，来调节传输能量的方向和大小；(6)、当需要从U1端向U2端传输能量时，设置驱动控制信号G1、G2、……、G16，使得G1、G2、G7、G8的上升沿固定，令G9、G10、G15、G16的上升沿滞后G1、G2、G7、G8上升沿一段时间，使G3、G4、G5、G6的上升沿固定，令G11、G12、G13、G14的上升沿滞后G3、G4、G5、G6上升沿一段时间，滞后的上述两段时间中的每段对应的相位定义为移相角Φ，且Φ>0，移相角Φ的正负，决定传输能量的方向，移相角Φ的大小则决定U1端向U2端传输能量的大小，传输的功率等于P＝kU1U2TsΦ(π‑Φ)/π2LT，其中k为变压器变比，U1、U2分别为U1端和U2端电压，Ts为开关周期LT为传输电感值；(7)、当需要从U2端向U1端传输能量时，设置驱动控制信号G1、G2、……、G16，使得G1、G2、G7、G8的上升沿固定，令G9、G10、G15、G16的上升沿超前G1、G2、G7、G8上升沿一段时间，使G3、G4、G5、G6的上升沿固定，令G11、G12、G13、G14的上升沿超前G3、G4、G5、G6上升沿一段时间，上述超前的两段时间中的每段对应的相位同样定义为移相角Φ，且此时Φ<0，此时移相角Φ的正负，决定了传输能量的方向，移相角Φ的大小则决定U2端向U1端传输能量的大小，传输的功率同样等于P＝kU1U2TsΦ(π‑Φ)/π2LT。